Содержание к диссертации
Введение
1 Краткий обзор литературных данных по предмету проводимых исследований 13
1.1 Предмет исследований 13
1.1.1 Влияние входной неравномерности на экономичность турбинной ступени 14
1.1.2 Повышение экономичности и надежности части низкого давления теплофикационных турбин Т-250/300-240 ТМЗ 32
1.1.3 Факторы, определяющие экономические показатели выхлопных патрубков с кольцевыми диффузорами 43
1.2 Задачи исследований 62
2 Описание экспериментальных установок, методика испытаний, оценка погрешности измерений 64
2.1 Описание экспериментальных установок 64
2.1.1 Установка ВАТ-1 64
2.1.2 Экспериментальная установка для исследования характера течения перед сопловым аппаратом первой нерегулируемой ступени 67
2.1.3 Установка для исследования выхлопных патрубков... 73
2.2 Средства измерений, используемые при модельных исследованиях 76
2.3 Методики обработки результатов испытаний 83
2.3.1 Расходный метод определения суммарных потерь энергии в экспериментальной установке 83
2.3.2 Определение степени неравномерности 84
2.3.3 Экспериментальное определение аэродинамических характеристик выхлопных патрубков 85
2.4 Оценка погрешности результатов исследований 92
2.4.1 Коэффициент суммарных потерь энергии в экспериментальной установке 92
2.4.2 Коэффициент полных потерь в выхлопном патрубке 94
3. Экспериментальное исследование влияния парциального подвода пара к регулирующей ступени на характер течения в последующей сопловой решетке нерегулируемой ступени 96
3.1 Исследование полей давления за сопловой решеткой, установленной за камерой, моделирующей камеру регулирующей ступени турбин Т-250/300-240 и К-200-130... 96
3.1.1 Результаты исследования исходного варианта подвода рабочей среды к сопловому аппарату 96
3.1.2 Исследование сопловой решетки с плоским перфорированным экраном 101
3.1.3 Исследование сопловой решетки с коническим перфорированным экраном 111
3.1.4 Исследование сопловой решетки с цилиндрическим перфорированным экраном 121
3.1.5 Исследование влияния перфорированных экранов на пульсации давления в потоке и уровень вибрации корпуса экспериментальной установки 124
3.2 Практическое использование перфорированных экранов 134
4. Пути повышения эффективности использования турбин Т-250/300-23,5 при их работе в чисто теплофикационном режиме 137
4.1 Результаты численного моделирования переменных режимов работы ЦНД турбины Т-250/300-240, работающей в теплофикационном режиме 138
4.2 Результаты натурных испытаний цилиндра низкого давления турбины Т-250/300-240 ТМЗ при работе со снятыми лопатками последней ступени 143
4.3 Технико-экономическое обоснование целесообразности работы турбины Т-250/300-240 без лопаток последних (31 и 40) ступеней 145
4.4 ЦНД турбины Т-250/300-240 в двухступенчатом исполнении 147
4.5 ЦНД турбины Т-250/300-240 со сварным ротором и внутренним торсионным валом 149
5. Разработка И Экспериментальное Исследование Выхлопного Патрубка С Кольцевыми Диффузорами Приминительно К ЦНД Турбины Т-250/300-240 Со Снятой Последней Ступенью 154
5.1 Экспериментальная отработка выходного патрубка 155
5.2 Выхлопной патрубок турбины Т-250/300-240 с коротким кольцевым диффузором 162
Заключение 166
Список использованных источников 168
- Факторы, определяющие экономические показатели выхлопных патрубков с кольцевыми диффузорами
- Экспериментальная установка для исследования характера течения перед сопловым аппаратом первой нерегулируемой ступени
- Исследование влияния перфорированных экранов на пульсации давления в потоке и уровень вибрации корпуса экспериментальной установки
- Результаты натурных испытаний цилиндра низкого давления турбины Т-250/300-240 ТМЗ при работе со снятыми лопатками последней ступени
Введение к работе
Актуальность работы. В условиях нарастающего дефицита электроэнергии при массовом старении установленного на электростанциях основного оборудования проблема повышения экономических показателей уже работающих турбоустановок приобретает особую актуальность.
В тоже время следует иметь в виду, что применительно к проточным частям паровых турбин резервы повышения их экономичности крайне ограничены. Потери энергии в лопаточных аппаратах цилиндров высокого и среднего давления энергетических турбин достигли теоретически возможных минимальных величин. Тем не менее, некоторые ступени этих цилиндров работают в условиях, когда их сопловые аппараты воспринимают крайне неравномерный в окружном направлении паровой поток. Такая ситуация характерна для всех послеотборных ступеней, включая и регенеративные отборы пара, а также для первой нерегулируемой ступени турбин с сопловым парораспределением, где, несмотря на значительные размеры камеры регулирующей ступени, сохраняется очень высокая окружная неравномерность потока, обусловленная парциальным подводом пара в указанную камеру.
В результате, имеет место весьма заметное снижение КПД не только первой нерегулируемой ступени, но и всего цилиндра высокого давления (ЦВД) турбины. До настоящего времени вопросу выравнивания параметров потока в камере регулирующей ступени не уделялось должного внимания, хотя именно здесь могут быть получены ощутимые результаты повышения экономичности ЦВД.
Более существенные резервы повышения экономичности турбоустановок имеются в цилиндрах низкого давления (ЦНД), причем эти резервы максимальны в ЦНД теплофикационных турбин, в условиях, когда они работают в чисто теплофикационном режиме. На этих режимах ЦНД не вырабатывают полезной мощности, а поглощают ее. Актуальность решения
отмеченных задач достаточно очевидна и далее рассматриваются возможные пути их решения.
Объект исследования. Объектом исследования являются:
система подвода пара к сопловому аппарату первой нерегулируемой ступени турбины;
ЦНД теплофикационной турбины Т-250-240 и его выхлопной патрубок.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является:
разработка и исследование способов снижения окружной неравномерности потока рабочего тела перед сопловым аппаратом первой нерегулируемой ступени турбины с сопловым парораспределением;
исследование режимов работы ЦНД теплофикационной турбины Т-250-240 и поиска мер снижения потерь энергии в чисто теплофикационном режиме;
исследование способов снижения потерь энергии в системе отвода пара к конденсатору на конденсационных режимах работы турбины Т-250-240.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
определить степень влияния парциального подвода рабочей среды в камеру регулирующей ступени на характеристики соплового аппарата первой нерегулируемой ступени турбины;
разработать и исследовать эффективность выравнивания окружной неравномерности параметров потока и поля скоростей в камере регулирующей ступени путем установки в этой камере специальных выравнивающих устройств;
- на основе проведенных исследований разработать конструкторскую
документацию на оптимальное с точки зрения выравнивания потока и потерь энергии устройство, позволяющее до минимума свести отрицательное влияние парциальной регулирующей ступени на работу последующего отсека турбины;
провести анализ возможных способов снижения потерь мощности ЦНД турбины Т-250-240 на чисто теплофикационном режиме и на этом основании рекомендовать к использованию оптимальное на сегодняшний день решение;
опытным путем проверить возможность снижения гидравлического сопротивления в системе отвода пара от последней ступени ЦНД турбины Т-250-240 к конденсатору путем использования в выхлопном патрубке этой турбины кольцевого диффузора с прямолинейной осью.
Методы исследований и достоверность полученных результатов. При выполнении работы широко использовались общепризнанные и отработанные методы проведения экспериментов.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современной измерительной техники, проведением оценки погрешности измерений, повторяемостью опытных данных и хорошим совпадением результатов модельных и натурных исследований.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- предложены и исследованы перфорированные экраны,
использование которых в камере регулирующей ступени при
минимальных затратах позволяет по меньшей мере на 1 % увеличить
КПД частей высокого давления мощных паровых турбин;
- предложена новая методика интегральной оценки потерь энергии в
сложных каналах и введен новый коэффициент для оценки окружной неравномерности в турбинных ступенях;
проведено расчетно-экспериментальное исследование работы турбины Т-250-240 без последней ступени, показавшее целесообразность такого решения при работе турбины в теплофикационном режиме не менее 8-ми месяцев в году;
показана целесообразность использования в выхлопном патрубке турбины Т-250-240 при снятии лопаток последних ступеней коротких кольцевых диффузоров.
Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение, так как разработанные проекты модернизации камеры регулирующей ступени при минимальных затратах могут быть использованы для повышения экономичности и надежности ЦВД практически всех турбин с сопловым парораспределением.
Кроме того, результаты расчетно-экспериментального исследования способов повышения эффективности использования ЦНД теплофикационной турбины Т-250-240 могут быть использованы при реконструкции части низкого давления этих турбин.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанная система выравнивания параметров пара перед сопловым аппаратом первой нерегулируемой ступени и ее конструктивная реализация передана для реализации на завод фирмы "Alstom".
Предложение о целесообразности работы турбины Т-250-240 без последней ступени реализовано на блоке №5 ТЭЦ-23 ОАО "Мосэнерго".
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на:
- 12-ой ежегодной международной научно-технической конференции
студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". - М.: МЭИ, 2-3 марта 2006 г.;
международной научно-техн. конференции "Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования". - Харьков: ИПМаш, 19-22 сентября 2006 г.;
на техническом совете Эстонской ГРЭС в декабре 2006 г.;
газодинамическом семинаре кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. - М.: МЭИ, март 2007 г.;
заседании кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. - М.: МЭИ, март 2007 г.
Публикации.
Зарянкин А.Е., Фичоряк О.М. Исследование и разработка способов повышения эффективности работы турбин с сопловым парораспределением// Тезисы докладов двенадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Том 3. - М.: МЭИ, 2-3 марта 2006 г, с. 275-276.
Использование перфорированных экранов в камере регулирующей ступени паровой турбины с сопловым парораспределителем/ Зарянкин А.Е., Арианов СВ., Зарянкин В.А., Парамонов А.Н., Фичоряк О.М. - Тяжелое машиностроение, 2007, №1, с. 10-15.
К оценке целесообразности работы теплофикационной турбины Т-250-240 без последней ступени в ЦНД/ Зарянкин А.Е., Зройчиков Н.А., Ермолаев Г.В., Фичоряк О.М. - Теплоэнергетика, 2005, № 6, с. 10-15.
Пути снижения отрицательного влияния регулирующей ступени на экономичность последующих нерегулируемых ступеней паровой турбины/ Зарянкин А.Е., Арианов СВ., Зарянкин В.А., Парамонов А.Н., Фичоряк О.М. - Проблемы машиностроения, 2006, №4, с. 46-51.
10 5. Снижение неравномерности параметров потока при входе в
сопловой аппарат первой нерегулируемой ступени паровой турбины с
сопловым парораспределением/ Зарянкин А.Е., Зройчиков Н.А., Парамонов
А.Н., Фичоряк О.М. - Теплоэнергетика, 2006, №11, с. 4-9.
Автор защищает:
результаты экспериментального исследования соплового аппарата, установленного после камеры регулирующей ступени турбины с сопловым парораспределением;
результаты экспериментального исследования соплового аппарата с предвключенными перфорированными экранами при парциальном подводе рабочей среды в камеру регулирующей ступени;
новый интегральный метод оценки коэффициента потерь энергии в сопловых аппаратах при неравномерном входном поле скоростей;
конструкцию перфорированного экрана, предназначенного для выравнивания поля скоростей перед сопловым аппаратом первой нерегулируемой ступени турбины с сопловым парораспределением;
результаты расчетно-экспериментального исследования характеристик ЦНД турбины Т-250-240 при различных пропусках пара при использовании двух и трех ступеней;
результаты экспериментального исследования выхлопного патрубка с короткими кольцевыми диффузорами применительно к турбине Т-250-240 с уменьшенным числом ступеней в ЦНД.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, списка используемой литературы, включающей 130 наименований. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, иллюстрируется 78 рисунками на 58 страницах, список литературы, изложенный на 13 страницах, и содержит 7 таблиц.
Аннотация диссертационной работы по главам.
В первой главе представлен краткий обзор литературных источников, посвященных вопросам, в той или иной степени связанных с предметом настоящих исследований. В частности, большое внимание уделено рассмотрению влияния входной неравномерности как на потери в решетке профилей, так и на экономичность турбинной ступени в целом, так как в первой части работы рассматриваются условия работы первой нерегулируемой ступени, воспринимающей неравномерный в окружном направлении поток из камеры регулирующей ступени. Вторая часть работы и соответствующий этой части обзор литературы затрагивают проблему эффективности использования ЦНД турбин Т-25 0-240 на чисто теплофикационных режимах работы. В третьей части литературного обзора рассматривается вопрос об использовании в выходном патрубке эффективных кольцевых диффузоров. В заключительной части первой главы формулируются цели и задачи настоящего исследования.
Во второй главе дано описание вновь созданных установок, которые использовались как для исследования характера течения в сопловом аппарате первой нерегулируемой ступени, так и для исследования выхлопных патрубков с короткими кольцевыми диффузорами, а также приборов и средств измерений, которые используются при модельных исследованиях. Изложены методики экспериментальных исследований решеток профилей и патрубков и методика количественной оценки степени неравномерности потока за исследованной сопловой решеткой. Дана оценка погрешности результатов исследований.
Третья глава полностью посвящена исследованию характера течения в сопловом аппарате первой нерегулируемой ступени. На основе этого анализа предлагаются и исследуются перфорированные экраны, устанавливаемые в камере регулирующей ступени. Также приводится конструктивная разработка объемного перфорированного экрана для энергетических турбин.
12 В четвертой главе рассматриваются возможные пути повышения
эффективности ЦНД теплофикационных турбин при их работе в
теплофикационном режиме работы, когда тепловой режим ЦНД можно
поддерживать при существенно более низком пропуске пара в конденсатор
при одновременном снижении вентиляционной мощности. Проводится
технико-экономическое обоснование целесообразности работы турбины Т-
250/300-240 без последних ступеней. Также рассматривается возможность
использования нового сварного ротора ЦНД турбины Т-250-240 с
внутренним торсионным валом.
Наконец, пятая глава посвящена исследованию выхлопного патрубка турбины с короткими кольцевыми диффузорами. Такое решение оказывается вполне логичным в ЦНД турбины Т-250-240 при ее работе со снятыми последними ступенями, когда заметно увеличивается свободный от лопаточного аппарата осевой размер. В результате выполненных исследований разработана схема установки кольцевого диффузора в ЦНД турбины Т-250-240 без последних ступеней.
Проведенные исследования показали, что поставленные задачи являются весьма актуальными и от их решения зависит уровень экономичности и надежности всей турбоустановки.
Вся экспериментальная часть работы выполнялась в газодинамической лаборатории кафедры Паровых и газовых турбин Московского энергетического института. Автор выражает искреннюю благодарность коллективу газодинамического сектора за его неоценимую поддержку.
Факторы, определяющие экономические показатели выхлопных патрубков с кольцевыми диффузорами
На конденсационных режимах работы пар покидает последнюю ступень мощных паровых турбин с достаточно большой скоростью. Так, если турбина К-200 на расчетном режиме имеет безразмерную выходную скорость А2=0,6, то для турбины К-300 это значение поднялось до А2=0,73. Реализовать диффузорный эффект в выхлопном патрубке при таких скоростях достаточно сложно. В результате для мощных паровых турбин потери с выходной скоростью по отношению ко всему располагаемому перепаду энтальпий колеблются от 1,5 % до 3 %, что позволяет при снижении коэффициента полных потерь энергии „ с 1,3 до 0,7 увеличить КПД части низкого давления на 1 ч-1,5 %.
Для большинства выхлопных патрубков паровых турбин различных фирм коэффициент полных потерь энергии превышает единицу и находится на уровне С,п = 1,1-1,4. Порядок этих цифр меняется мало и при установке за последней ступенью осерадиального диффузора. В первую очередь это связано с особенностью течения пара за рабочими лопатками последней ступени, которая заключается в том, что периферийная сверхзвуковая струя движется по прямой линии, в то время как внешний обвод осерадиального диффузора сильно отклоняется по радиусу. В таких условиях практически неизбежен отрыв потока уже на входе в диффузор.
Это обстоятельство вызывает серьезные сомнения в целесообразности использования осерадиального диффузора, поскольку эффективность его может быть сведена к нулю, а загромождение обводами проходной площади на разъеме вызовет дополнительные потери и даже способно привести к запиранию патрубка [121]. Однако и бездиффузорный патрубок имеет слишком высокий коэффициент полных потерь. С другой стороны установка в выхлопном патрубке мощных паровых турбин развитой диффузорной системы, отличной от осерадиального исполнения, затрудняется жесткими ограничениями габаритного размера в осевом направлении. Как уже отмечалось для турбины Т-250/300-240 ситуация меняется, если эксплуатировать ее не с тремя, а с двумя ступенями. В этом случае увеличение осевого размера в результате удаления последней ступени позволяет рассмотреть вопрос о возможности установки в патрубке короткого кольцевого диффузора с прямолинейной осью.
В настоящее время библиография по экспериментальному исследованию кольцевых диффузоров достаточно обширна [6, 23, 26, 30, 32, 39, 58, 87, 95]. Кольцевые диффузоры с кольцевым выходом потока используются, как правило, в газовых турбинах и от их аэродинамических качеств в значительной степени зависит эффективность работы этих турбин. Остановимся на имеющихся результатах исследований свободных диффузоров, меридиональное сечение которых и соответствующие обозначения приведены на рис. 1.14.
Такие диффузорные системы, образованные двумя коническими поверхностями, полностью характеризуются заданием следующих геометрических размеров: входных диаметров D, и dx, выходных диаметров D2 и d2, длины L. Приведенные величины не являются единственной комбинацией определяющей геометрию кольцевых диффузоров. С этой же целью могут использоваться и величины: ),, dx, а,, а2, L, где а, и а2 углы наклона образующих конических поверхностей, или Dicp, I, at, а2, п. Здесь DUp - средний диаметр входного сечения, / - высота на входе и п - степень расширения диффузора.
В целом при рассмотрении кольцевых диффузоров приходится иметь дело со следующими геометрическими параметрами: D,, dx, Dlcp, D2, d2, a,, a2, I, L. Пять величин из этого набора определяют геометрию диффузора. Выбор этих величин не может быть произвольным, в их число должны входить по две величины, связанные с внутренним и внешним конусом и одна - общая для всего диффузора. Наиболее удачной комбинацией представляется: Dhp, I, а}, а2, D2. Переходя к безразмерным величинам и выбрав в качестве определяющего размера D]cp, получаем набор четырех параметров DUpjl, a,, а2, п с помощью которых можно выразить и все остальные величины.
Если рассматривать диффузоры с точки зрения использования в системе выхлопа турбомашин, то отношение DUpjl характеризует с одной стороны ступень турбомашины, а с другой - определяет размеры входного сечения диффузора, связанного с данной ступенью. Другими словами, отношение DUp/l является заданным конструктивным параметром, определяемым размерами ступени турбомашин. Изменение D/1 при п = const может быть осуществлено при постоянной относительной длине L = LjDUp, либо при постоянных углах а, и а2. Экспериментальное исследование диффузоров показывает, что если для диффузоров с цилиндрической внутренней образующей (кривые 4, 5, 6 на рис. 1.15) потери в области малых и умеренных значений D/1 увеличиваются незначительно, то при d2 dx (кривые 1, 2, 3 на рис. 1.15) происходит заметное изменение коэффициентов полных потерь от безразмерного входного диаметра 6 = D/l. Для диффузоров с большими значениями D/1 7, подтверждается факт увеличения потерь с ростом D/1, причем этот рост становится достаточно интенсивным и при цилиндрической образующей. Рассматривая влияние углов, следует иметь в виду, что их изменение при постоянной степени расширения п приводит к заметному изменению относительной длины, а при L = const вызывает изменение степени расширения. Отсюда на первый взгляд достаточно просто предсказать зависимость коэффициента полных потерь от указанных величин. Действительно, с увеличением угла а, при п = const можно ожидать снижения потерь из-за уменьшения длины диффузора, а при L = const полные потери должны падать из-за увеличения степени расширения. В некотором диапазоне изменения углов такая картина действительно имеет место.
Исследование [30, 39] двух вариантов исполнения диффузоров при цилиндрической внутренней образующей (рис. 1.16а) и цилиндрической внешней образующей (рис. 1.166) показало, что полные потери уменьшаются при росте углов от, и -а2 до 10, а затем потери начинали резко расти, причем не только качественно, но и количественно влияние рассматриваемых углов оказалось почти идентичным.
Иногда вместо двух углов ах и а2 используют плоский угол в = а1-а2 (угол раскрытия проточной части). В этом случае число независимых геометрических параметров сокращается и опытные данные можно представить в функции одного угла. Такая зависимость при п = const (рис. 1.17) имеет минимум при 0 = 4-5, после чего происходит интенсивное возрастание потерь [31, 39].
Экспериментальная установка для исследования характера течения перед сопловым аппаратом первой нерегулируемой ступени
Разработанная установка предназначена для исследования характера течения в уравнительной камере после регулирующей ступени и оценки влияния парциального подвода среды к регулирующей ступени на потери энергии и степень окружной неравномерности в сопловом аппарате первой нерегулируемой ступени, а также поиска мер по снижению отрицательного влияния окружной неравномерности потока на работу последующего соплового аппарата.
Поскольку целью проводимых исследований является качественная оценка степени окружной неравномерности в выходном сечении соплового аппарата с полным подводом, расположенного за парциальной ступенью, и принимая во внимание результаты представленные в работах И.Г. Гоголева [26] и А.Н. Парамонова [98], которые свидетельствуют о неудовлетворительном выравнивании окружной неравномерности поля скоростей вращающимся рабочим колесом парциальной ступени, при проектировании экспериментальной установки парциальный подвод был организован активными дугами подвода рабочей среды, имитирующими регулирующую ступень. Внешний вид экспериментальной установки показан на рис. 2.2 и 2.3.
Установка (рис. 2.3) крепится к ресиверу / с помощью фланца 2, соединенного с цилиндрическим корпусом 3. В верхней части цилиндрического корпуса 3 выполнен выступ 4, на котором нанесена угловая градуировка с шагом 5. Поворотное кольцо 5 установлено на корпусе 3 и свободно вращается вокруг него с помощью ручек б. Траверсирование поля давлений в выходном сечении осуществляется зондом 7, закрепленном в поворотном кольце 5. Избыточное статическое давление АР, на входе в решетку измерялось U-образным водяным манометром путем дренирования боковой стенки модели. Созданная установка частично моделирует камеру регулирующей ступени турбин Т-250/240-300 и К-200-130 в масштабе 1 к 10. Моделируемые размеры камеры регулирующей ступени реальной турбины: средний диаметр регулирующей ступени =1100лш, средний диаметр первой нерегулируемой ступени d"p = 840 мм, расстояние между ступенями 1 = \30мм; размеры экспериментальной установки: средний диаметр активных дуг подвода рабочей среды d p=H0MM, средний диаметр сопловой решетки d"p =$4 мм, ширина уравнительной камеры 1 = 12 мм. Таким образом, рассматриваемая установка позволяет исследовать окружную неравномерность потока после соплового аппарата, обусловленную парциальным подводом рабочей среды в уравнительную камеру. Сложный характер течения в рассматриваемом участке турбины с сопловым парораспределением приводит к возникновению в потоке высоких пульсаций давления и является причиной возникновения повышенной вибрации корпусных деталей. Для измерений пульсаций давления в проточной части рассматриваемой установки в точках А, Б, В (рис. 2.3) были выполнены отверстия, куда ввертывались датчики давления измерительного комплекса МИК-300М. Датчик А позволяет измерять пульсации давления непосредственно в ресивере, датчик Б располагается в уравнительной камере, а датчик В также располагается в уравнительной камере и перед ним можно устанавливать специальные перфорированные экраны и таким образом исследовать их влияние на уровень пульсаций давления в уравнительной камере рассматриваемой установки. В точке /"были расположены контактные датчики вибрации, подающие сигнал на прибор "Агат" (Россия). Продольный разрез исследуемой модели показан на рис. 2.4а. Воздух от воздуходувки подводится к камере / фланца 1, к которому крепится цилиндрический корпус 2, являющийся опорой для поворотного кольца 3. В верхней стенке фланца 1 выполнены четыре дуги 4 подвода рабочей среды в уравнительную камеру II, образованную цилиндрическим корпусом 2 и верхней стенкой фланца 1. Далее воздух поступает к исследуемой кольцевой диафрагме 5, установленной в цилиндрическом корпусе 2, и сбрасывается в атмосферу (открытый выхлоп). Также в цилиндрическом корпусе 2 выполнены уступы б для установки перфорированных экранов и внешнего обвода. К фланцу 1 крепится фальшь-вал 7. На рис. 2.46 представлена схема организации парциального подвода воздуха в уравнительную камеру II (вид сверху при снятии корпуса 2 рис. 2.4а). Здесь четыре активные дуги подвода 2 (далее для краткости окна), расположенные на фланце 1, обеспечивают максимальную степень парциальности равную е=0,7. Сегменты 3, находящиеся между краев дуг активного подвода рабочей среды, далее для краткости будем называть затененными зонами. Активные каналы 2 равномерно распределяются по всей окружности подвода. Изменение числа дуг активного подвода проводилось установкой на них заглушек. Для выравнивания поля скоростей перед входным сечением соплового аппарата в расточку цилиндрического корпуса 2 можно было устанавливать различные экраны. В качестве таких экранов использовались плоские перфорированные диски (рис. 2.5а), плоские перфорированные диски с четырьмя окнами (рис. 2.56), конические перфорированные экраны с четырьмя окнами, выполненные с углами конусности, равными 20 и 25 (рис. 2.5в), конические перфорированные экраны с четырьмя окнами и канавками, в которых располагались отверстия перфорации (рис.2.5г), и цилиндрические перфорированные экраны (рис. 2.5д).
Исследование влияния перфорированных экранов на пульсации давления в потоке и уровень вибрации корпуса экспериментальной установки
Многочисленные исследования турбинных ступеней в экспериментальных турбинах [26] показали, что за ступенями резко увеличивается степень турбулентности, а амплитуда пульсаций давления возрастает до 5 -г- 7% от значения среднего давления в потоке рабочей среды. При использовании регулирующих ступеней с парциальным подводом пара пульсации давления в камере регулирующей ступени оказываются еще выше.
Для количественной оценки величины этих пульсаций на рассматриваемой установке в сборной камере // (рис. 2.4а) проводилось измерение пульсаций давления как при отсутствии, так и при установке перфорированных экранов. В последнем случае измерения пульсаций давления проводились до и после экранов. Одновременно измерялись и величины виброперемещений на корпусе установки.
Измерения пульсаций давления проводились в баке-ресивере, в сборной камере, а при наличии перфорированного экрана - в сборной камере перед ним (экраном), а также между экраном и решеткой.
Как и следовало ожидать наибольший уровень пульсаций давления был отмечен в уравнительной камере (поз. II рис. 2.4а) исходной модели, где он почти в 2-3 раза превышал уровень пульсаций перед моделью. Диаграммы пульсаций и амплитудно-частотный спектр в ресивере при, двух и четырех открытых окнах показаны на рис. 3.20. На рис. 3.21 приведены эти же зависимости в сборной камере.
Среднее значение рассматриваемых пульсаций в сборной камере исходной модели при двух открытых окнах составило 491 Па, в то время как среднее давление в ресивере было равно 196 Па. При открытии четырех окон средние пульсации давления в сборной камере исходной установки снизились до 276 Па. Как в первом, так и во втором случаях пику пульсаций соответствует частота порядка 1900Гц, но при четырех открытых окнах обнаруживается еще один всплеск пульсаций на частоте 1700 Гц.
При установке плоских перфорированных экранов уровень пульсаций в сборной камере перед экраном остался примерно на том же уровне (рис. 3.22), что и в исходной модели.
В то же время, за плоским перфорированным экраном было отмечено резкое снижение уровня пульсаций: среднее значение пульсаций давления снижается до 229 Па при двух открытых окнах и до 201 Па при открытии четырех окон, а среднее значение амплитуд снизилось с 39 до 15 Па (рис. 3.23).
При установке углового перфорированного экрана картина существенно не изменилась, но за экраном (непосредственно перед решеткой) уровень пульсаций давления все же несколько вырос (рис. 3.24). Среднее значение пульсаций давления составило 367 Па при двух открытых окнах и 215 Па при открытии четырех окон, а среднее значение амплитуд равно 17Яа.
По-видимому, эффективность гашения пульсаций зависит от пропускной способности углового перфорированного экрана.
Аналогичная картина имеет место и в случае установки цилиндрического перфорированного экрана. Интересно, что все экраны не меняют на амплитудно-частотном спектре пикового значения частот, но уровень максимальных пульсаций на этих частотах снижается в три-четыре раза.
Проведенные виброизмерения также подтвердили возможность стабилизации потока путем установки перфорированных экранов. Практически все экраны снижали вибрацию модели. Особенно хорошо себя проявили экраны без окон, которые обеспечивали снижение вибрации до 40 %.
Внешним проявлением отмеченного снижения пульсаций давления при установке в сборной камере // (рис. 2.4а) цилиндрического экрана явилось снижение относительной амплитуды виброперемещений корпуса установки. Относительная величина снижения указанных виброперемещений от безразмерной скорости Л,, для двух и четырех открытых окон приведена на рис. 3.25.
Здесь измеренные на корпусе виброперемещения при наличии экранов Ауэ отнесены к виброперемещениям Аб/уэ измеренным на корпусе при отсутствии экранов. Как следует из приведенных зависимостей, чем выше величина безразмерных скоростей і,, на выходе из сопловой решетки, тем в большей степени снижается вибрация корпуса в результате использования рассматриваемых экранов.
Проведенные исследования пульсаций давления и вибрации наглядно свидетельствуют о высокой нестационарности течения в свободной от экранов камере испытуемой модели. Естественно, результаты измерений вибрации корпуса модели нельзя напрямую переносить на натурную машину, однако, они показывают, что лопаточные аппараты первых нерегулируемых ступеней могут воспринимать большие, не учитываемые в конструкторских расчетах, динамические нагрузки.
Результаты натурных испытаний цилиндра низкого давления турбины Т-250/300-240 ТМЗ при работе со снятыми лопатками последней ступени
Указанные исследования проводились на ТЭЦ-23 ОАО "Мосэнерго" в 2003 г. на блоке № 5, где в результате проведенной модернизации были сняты лопатки последних 31 и 40 ступеней. Испытания ЦНД проводились до и после модернизации по совершенно одинаковой методике. Соответственно, даже при наличии систематических ошибок разницы Испытания проводились ОАО "Энергетики и электрификации «Мосэнерго" расходов пара на сходных по мощностям и температурам режимах достаточно точно отражают произошедшие в результате снятия лопаток изменения. На рис. 4.4 приведены полученные опытным путем зависимости мощности ЦНД рассматриваемой турбины от расхода пара для исходного варианта с шестью венцами (кривая 1) и для ЦНД при снятых рабочих лопатках последних ступеней (кривая 2). Основные результаты, вытекающие из рассмотрения этих зависимостей, сводятся к следующему: - снятие последних ступеней привело к снижению мощности ЦНД на 19 МВт при работе в конденсационном режиме. Согласно нашим расчетам снижение мощности в конденсационном режиме составило 20,1 МВт; - при снижении расхода пара до 162 т/ч мощности сравниваемых цилиндров оказались равными.
Сравнивая полученный результат с расчетными данными (рис. 4.2) можно отметить, что по расчетным оценкам указанному режиму соответствует расход пара D = 151 т/ч. Полученное расхождение абсолютных расходов связано с тем, что с одной стороны нельзя рассчитывать на высокую точность опытного определения расхода пара через ЦНД, а с другой - трудно учесть в расчетной методике все факторы, влияющие на конечный результат расчетов; - точкам перехода через нулевые мощности соответствуют расходы равные ) = 138 т/ч и ) = 120 m/ч. Таким образом, переход к вентиляционному режиму для ЦНД со снятыми лопатками последних ступеней происходит при уменьшенном на ) = 18 т/ч расходе пара. Согласно рассчитанным данным (рис. 4.2) указанная разница расходов составляет 25,2 т/ч. Как уже отмечалось, для оценки экономической целесообразности удаления лопаток последних ступеней необходимо оценить величину возможного снижения эксплуатационного расхода пара через ЦНД исходя из допустимой средней температуры пара за ЦНД. Опытные данные по характеру изменения этой температуры при снижении расхода пара через ЦНД представлены на рис. 4.4 для исходного варианта с шестью венцами (кривая 3) и для ЦНД при снятых рабочих лопатках последних 31 и 40 ступеней (кривая 4). Если использовать приведенные данные, то при равных допустимых температурах для сравниваемых вариантов ЦНД, составляющих 120 С, при снятии последних ступеней возможно уменьшить пропуск пара через цилиндр на 37 т/ч, что весьма близко совпадает с расчетными оценками.
Однако, если ограничить максимальную температуру корпуса ПО С, то снизить расход можно только на 21 т/ч. При работе с такими ограничениями по температуре корпуса для варианта с удаленными последними ступенями вентиляционные потери могут быть снижены на 1,8 МВт. (Рассчитанное снижение рассматриваемых потерь мощности равно 2,2 МВт). Полученные результаты положены далее в основу оценки экономической целесообразности работы турбины Т-250/300-240 при снятых 31 и 40 ступенях. Проведенное численное моделирование работы ЦНД турбины Т-250/300-240 при различных пропусках пара в конденсатор, а также прямые опытные данные привели к следующим результатам. Если исходить из одинакового максимально допустимого уровня температуры пара за ЦНД, равного 120С, то согласно расчетным данным удаление последней ступени позволяет снизить расход пара через ЦНД на 36т/ч. По опытным данным снижение расхода в этом случае составляет 37 т/ч. При ограничении допустимой температуры пара за ЦНД для варианта со снятием последних ступеней величиной в ПО С и сохранении предельной температуры для исходного варианта ЦНД, равной 120 С, расход пара через ЦНД может быть уменьшен только на \%т/ч по расчетным данным и на 21 т/ч по опытным данным. Соответственно, если пользоваться данными промышленных испытаний теплофикационная мощность турбины при снятии последних ступеней увеличивается на ANT = \2,1%МВт. Одновременно удаление последних ступеней позволяет снизить вентиляционные потери на ANK = 1,8 МВт. При переходе на конденсационный режим потеря мощности ЦНД за счет снятия лопаток последних ступеней составляет около AN3 =19 МВт при расходе пара ) = 580 m/ч. Режимы работы рассматриваемой турбины Т-250/300-240 на ТЭЦ-23 Мосэнерго показывают, что около 8 месяцев в году она несет теплофикационную нагрузку.
